Научная статья на тему 'Квантовохимические исследования механизмов взаимодействия диоксинов с клеточными фосфолипидами'

Квантовохимические исследования механизмов взаимодействия диоксинов с клеточными фосфолипидами Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
43
20
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Байгулова О. В.

Методами квантовой химии установлено образование комплексов полихлорированных дибензопдиоксинов с клеточным фосфатидилэтаноламином за счет взаимодействия ?-системы электронов диоксиновых колец и этаноламинной группы фосфатидилэтаноламина. Исследовано влияние диоксинов на конформацию и электронное строение фосфолипидов клеточных мембран в условиях образования комплексов. Показано, что образование данных комплексов ведет к значительному изменению электронного строения фосфолипидных молекул в области комплексообразования, однако их конформация сохраняется. Вместе с тем, отмечено изменение электронного строения и формы диоксиновых молекул.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Байгулова О. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Quantum chemistry investigations to dioxins with cell phospholipids interaction mechanisms

Quantum chemical methods were used to show the process of formation of complex polychlorinated dibenzo-p-dioxins and cell phosphatidylethanolamine with participation of ?-electron system of dioxin ring and phosphatidylethanolamine ethanolamine group. It was investigated dioxin effect to cell membrane phospholipid conformation and electron structure under complex formation. It was shown that formation these complex leads to a significant alteration of the phospholipid molecule electron structure around complex formation area, however their conformation was remain. At the same time it was noted the alteration of dioxin molecule electron structure and shape.

Текст научной работы на тему «Квантовохимические исследования механизмов взаимодействия диоксинов с клеточными фосфолипидами»

Квантовохимические исследования механизмов взаимодействия диоксинов с клеточными фосфолипидами

Байгулова О.В. ([email protected] ), Насибуллин Р.С.

Башкирский государственный медицинский университет, г. Уфа

Аннотация. Методами квантовой химии установлено образование комплексов полихлорированных дибензо- п- диоксинов с клеточным фосфатидилэ-таноламином за счет взаимодействия п-системы электронов диоксиновых колец и этаноламинной группы фосфатидилэтаноламина. Исследовано влияние диоксинов на конформацию и электронное строение фосфолипидов клеточных мембран в условиях образования комплексов. Показано, что образование данных комплексов ведет к значительному изменению электронного строения фосфо-липидных молекул в области комплексообразования, однако их конформация сохраняется. Вместе с тем, отмечено изменение электронного строения и формы диоксиновых молекул.

Введение. Представленная работа посвящена исследованию воздействия полихлорированных дибензо- п- диоксинов (ПХДД) на фосфолипиды клеточных мембран. Актуальность изучения соединений диоксинового класса обусловлена тем, что проводимые в течение последних десятилетий интенсивные исследования диоксинов и родственных соединений, представляющих крайне опасные загрязнители окружающей среды [9, 10], не дали ясного понимания молекулярного механизма их действия, в том числе и характера их взаимодействия с биологическими системами. Имеющиеся многочисленные публикации [15, 16] показывают, что свое токсическое и биологическое действие диоксины осуществляют посредством взаимодействия с так называемым внутриклеточным цитозольным Ah-рецептором, однако структура и функции этого рецептора пока остаются не до конца выясненными. В то же время, в биологических процессах активно участвуют мембранные липиды. Биологическая активность веществ широкого спектра действия зависит от их способности взаимодействовать с биологическими объектами, и в первую очередь с клеточными фосфолипидами. Сведения об изменении конформационных и физических параметров фосфолипидов под действием биологически активных веществ дают возможность более глубокого понимания механизма их действия на молекулярном уровне.

Среди большого количества существующей литературы данные о влиянии диоксинов на конформационное состояние и электронное строение клеточных фосфолипидов нами не были обнаружены. Однако, учитывая сегодняшние масштабы повсеместного диоксинового загрязнения и вредные последствия их воздействия на организм [11], такая информация является крайне важной, поскольку поможет понять молекулярной механизм их действия и в дальнейшем разработать эффективные методы выведения из организма или снижения до минимума их токсического действия.

В проведенных ранее методами квантовой химии [4, 5, 6] и ядерного магнитного резонанса [3, 4, 5, 7, 8] исследованиях было показано, что при взаимодействии сопряженных молекул с молекулой фосфатидилхолина (ФХ) возникают комплексы, образующиеся за счет взаимодействия п-системы электронов этих молекул и холиновой группы фосфолипида. В данной работе приводятся результаты квантовохимических расчетов взаимодействия ПХДД с ФЭ.

Методы исследований. Для проведения квантовохимических расчетов нами использовался программный пакет HyperChem 5.01, реализующий метод молекулярной механики ММ+ [1] и полуэмпирический метод МКОО [13]. Расчетные программы получены из фондов ИХКиГ РАН (Новосибирск) и адаптированы под поставленную задачу и имеющиеся компьютерные ресурсы.

Методика проведения исследований. Исходные структуры молекул ФЭ и ПХДД выбирались из экспериментальных данных [2, 12] и в последующем оптимизировались сначала методом ММ+™, затем методом МКОО.

Для нахождения структур комплексов, соответствующих минимальному значению энергии, проводилось варьирование взаимного пространственного расположения молекул ПХДД и ФЭ относительно друг друга (рис.1) с одновременной оптимизацией геометрии.

§1 = С[5,1]-К[1,1]-СЯ1-СЯ2, §2 = С[5,2]-К[1,2]-СЯ2-СЯ1 Я1 = К[1,1]-СЯ1, Я2 = К[1,2]-СЯ2

начальные условия: §1 = §2 = 0°, ZC[5]-N[1]-CR = 180°, ^[1]-СК1(2ГСК2(1) = 90°

У2(1)

Рис. 1 Параметры, определяющие пространственное расположение молекул ПХДД и ФЭ относительно друг друга: СЯ1 и СЯ2 - центры 1-го и 11-го диоксиновых колец; ^1,1], С[5,1] - атомы N1, С5 ФЭ1, ^1,2], С[5,2] - атомы N1, С5 ФЭ2; §1 и §2- торсионные углы, определяющие положение молекул ФЭ1 и ФЭ2 относительно ПХДД

Рис. 2 Исследуемые молекулы ПХДД:

a) 2,3,7,8-ТХДД;

b) 1,2,3,7,8,9-ГХДД;

c) 2,3,7,9-ТХДД;

d) 2,3,7-ТриХДД;

e) схема нумерации позиций диоксинового скелета

Изменение углов §1, 82 задавалось в интервале от 0° до 360° с шагом в 30° или 10°. По результатам расчетов строились картины зависимости энергии образования указанных комплексов от значений углов 81 и §2, по которым затем определялись точки, соответствующие минимуму энергии.

Для проведения квантовохимических расчетов нами были выбраны 4 ди-оксиновые молекулы (рис. 2), для которых был установлен экспериментальный ряд их относительной биологической активности [14] (табл. 1: данные представлены в %).

Результаты и обсуждение. В результате проведения расчетов нами было установлено существование комплексов, возникающих за счет взаимодействия п-системы электронов диоксиновых колец и КИ3-группы ФЭ (рис.3). При этом мы обнаружили несколько разновидностей данных комплексов.

Рис. 3 Комплексы ПХДД с ФЭ: 1 - комплекс ПХДД с одним ФЭ на 1-м (I) или 11-м (II) крайнем кольце, 2 - комплекс ПХДД одновременно с двумя ФЭ на крайних кольцах с одной стороны относительно плоскости диоксиновой молекулы; a - молекула ПХДД, Ь и с - ФЭ 1 и ФЭ2, соответственно

1-я разновидность комплекса - комплекс, образующийся при взаимодействии молекул диоксинов с одной молекулой ФЭ на одном из крайних диокси-новых колец (рис. 3-1).

Для получения диаграмм зависимости энергии образования данных комплексов от значения углов §1, §2 их вращение задавалось с шагом в 10°.

Значения углов §ь §2, при которых отмечаются минимумы энергии, и соответствующие им значения энергии комплексообразования представлены в табл.1. Значения высот потенциальных барьеров позволили сделать вывод об энергетической устойчивости структур в данных точках и охарактеризовать данные точки как локальные минимумы.

Таблица 1

Экспериментальные и расчетные данные исследуемого ряда ПХДД

Молекула ПХДД Относительная биологическая активность* [14] Энергия комплексообразования ПХДД с ФЭ Екомп (ккал/моль)

комплекс ПХДД с одной молекулой ФЭ: комплекс ПХДД с двумя молекулами ФЭ с одной стороны относительно плоскости диокси-новой молекулы

на I-м кольце на II-м кольце

угол Е ^комп угол Е ^комп

углы 81-82,° Екомп

2,3,7,8-ТХДД 100 320 -3,76 320 -3,76 0-0 -33,36

1,2,3,7,8,9-ГХДД 22 340 -3,68 330 -3,19 0-0 -32,22

2,3,7,9-ТХДД 8 0 -1,83 350 -2,68 0-0 -30,82

2,3,7-ТриХДД 0,06 330 -1,32 340 -2,37 0-0 -33,19

Примечания: (*) - определяется через концентрацию, вызывающую 50%-е повышение уровня гидроксилаз ароматических углеводородов (AGG) от максимально возможного: чем эта концентрация ниже, тем активнее считается данная диоксиновая молекула; активность 2,3,7,8-ТХДДпринята за 100%.

Исследования геометрических и физических параметров образующихся комплексов в точках минимумов энергии дали следующие результаты. Двугранные углы в гидрофильной части молекулы ФЭ, т.е. в области комплексооб-разования, изменяются в среднем на 4-9°, за исключением углов C7-O10-P12=O13 и C7—O10—P12—O14, изменения которых составляют 120-130°, что, по-видимому, можно объяснить внутренним вращением связей P12=O13 и P12-O14 в фосфатной группе; в жирнокислотных "хвостах" эти изменения составляют 1-2°. Длины связей и расстояния между атомами не изменяются. Таким образом, конформа-ция фосфолипидной молекулы сохраняется.

Изменения зарядов на атомах ФЭ в области комплексообразования составляют в среднем 0,01-0,02е; на остальных атомах заряды не изменяются. Общий суммарный заряд молекулы ФЭ также остается без изменений

Тем не менее, происходит изменение электронного строения фосфоли-пидных молекул в области комплексообразования. При этом на атомах этано-ламина (N1, С5, С7, Н2-Н4) наблюдается существенное изменение электронной заселенности нижней свободной молекулярной орбитали (НСМО), особенно заметное - на атомах N и С5; а на атомах фосфатной группы (Р12, О10, 013, 014, 015) отмечено значительное изменение электронной заселенности верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО), особенно заметное - на атоме 013.

Одновременно с этим наблюдается изменение формы диоксиновых молекул (рис.4): если в свободном состоянии они являются жесткими практически плоскими молекулами (рис.4, А, С: углы ю1-ю4 составляют 177°-179°, т.е. угол между плоскостями крайних колец составляет 1°-2°), то в точках минимумов энергии они приобретают форму "бабочки" (рис.4, В): углы ю1-ю4 становятся равными 161°-171°, т.е. угол между плоскостями крайних диоксиновых колец составляет от 8° до 18°.

©1 = Сг -С3- О7-С8

©2 = Сз- О7- С8-С10

©3 = С13- -С9- О14-С5

©4 = С9- -О14- -С5-С6

Рис. 4 Формы диоксиновых молекул: А - в свободном состоянии; В - "бабочка" , в комплексах с ФЭ; С - торсионные углы, определяющие форму молекул; ось симметрии, относительно которой определяется форма диоксиновых молекул, проходит через атомы 07 и О 14

Изменение зарядов на атомах С того диоксинового кольца, с которым взаимодействует NH3-группа ФЭ, составляет 0,03-0,04е, а на некоторых атомах С другого диоксинового кольца - 0,01-0,02е.

Тем не менее, происходит изменение электронного строения диоксино-вых молекул. При этом на С-атомах того диоксинового кольца, с которым взаимодействует ^КН3-группа ФЭ, наблюдается существенное изменение электронной заселенности НСМО; а на некоторых С-атомах другого кольца отмечено значительное изменение электронной заселенности ВЗМО.

Анализ межатомных расстояний в точках минимумов энергии показал, что в этих точках полярная часть ФЭ вытягивается вдоль плоскости молекулы ПХДД (рис.5), т.е. КН3-группа взаимодействует с одним из крайних колец диоксина, в то время как фосфатная группа Р04 взаимодействует с другим крайним диоксиновым кольцом. В точках же высоких значений потенциального барьера фосфатная группа ФЭ Р04, наоборот, располагается на максимальном удалении от плоскости диоксиновых молекул (рис.5).

а

- -СП,

С?

в минимуме

■ У

V0 V*

сц ^

в точках барьера

к

Рис. 5 Структура оптимизированных комплексов ПХДД с одной молекулой ФЭ на крайних кольцах в точках минимумов энергии и точках высоких потенциальных барьеров

Исходя из анализа межатомных расстояний и структур оптимизированных комплексов (рис.5), можно сделать вывод, что помимо этаноламинной группы ФЭ, в процессе комплексообразования диоксинов с фосфолипидом принимает активное участие и фосфатная группа. Этим и объясняется изменение электронной заселенности ВЗМО на атомах Р04-группы. Кроме того, по всей видимости, именно близкое расположение фосфатной группы ФЭ к диок-синовым кольцам в точках минимумов энергии способствует изменению формы диоксиновых молекул и перераспределению зарядов на атомах того диок-синового кольца, с которым фосфатная группа взаимодействует. Об этом также свидетельствует и тот факт, что на тех атомах, к которым фосфатная группа располагается ближе всего, отмечено более сильное изменение зарядов на атомах и электронной заселенности ВЗМО.

2-я разновидность комплекса "диоксин - фосфолипид" - это комплекс, образующийся при взаимодействии диоксинов одновременно с двумя фосфо-липидными молекулами на крайних диоксиновых кольцах, когда фосфолипиды располагаются с одной стороны относительно плоскости диоксиновых молекул

(рис.3-2). Для получения картины зависимости энергии образования данных комплексов от значения пары углов 51-82 их вращение задавалось с шагом в 30°.

Структуры комплексов с минимальной энергией наблюдаются при значении пары углов 81-82 = 0°-0°. Значения высот потенциальных барьеров позволили сделать выводы об энергетической устойчивости структур в этих точках и охарактеризовать их как точки локального минимума энергии.

Значения энергии комплексообразования в точках минимумах энергии приведены в табл.1, из которой видно, что энергия образования такой разновидности комплекса значительно повышается по сравнению с энергией образования 1-ой разновидности этого комплекса, когда диоксин взаимодействует с одной фосфолипидной молекулой.

Большая величина энергии комплексообразования ПХДД с ФЭ говорит об устойчивости образованных комплексов. Кроме того, это хорошо согласуется с тем экспериментальным фактом, что диоксины накапливаются прежде всего в жировых тканях и тканях, богатых липидами [11].

Исследования структурных и электронных параметров обнаруженной разновидности комплекса "диоксин - фосфолипид" дали следующие результаты.

Двугранные углы гидрофильной части обеих молекул ФЭ меняются в среднем на 2-12°, что не оказывает влияния на конформацию фосфолипидных молекул. Изменение зарядов на атомах ФЭ в области комплексообразования составляет 0,01-0,03е, за исключением атома 013, на котором заряд увеличивается на 0,06-0,08е. На остальных атомах заряд практически не изменяется. Общий суммарный заряд молекулы также остается неизменным.

Тем не менее, происходит изменение электронного строения фосфоли-пидных молекул в области комплексообразования. При этом на атомах этано-ламинной группы С5, Н2-Н4) наблюдается существенное изменение электронной заселенности НСМО, наиболее значительное - на атомах С5; а на атомах фосфатной группы (Р12, 010, 013, 014, 015) отмечено значительное изменение электронной заселенности ВЗМО, наиболее заметное - на атомах 013,

014.

Одновременно с этим отмечено изменение формы диоксиновых молекул: как и в комплексах ПХДД с одним ФЭ, они приобретают форму "бабочки" (см. рис.4, В, С): углы ю1-ю4 становятся равными 168°-172°. При этом изменения зарядов на атомах диоксинов составляют 0,01-0,02е. Общий суммарный заряд молекул ПХДД остается неизменным. Однако при этом происходит изменение электронного строения диоксиновых молекул: на атомах С12, С11, С8, С9 - наблюдается значительное изменение электронного строения как ВЗМО, так и НСМО; а на атомах 07, 014 - существенное изменение электронного строения ВЗМО.

Для объяснения такого поведения диоксиновых молекул при образовании комплексов с двумя ФЭ был проведен сравнительный анализ структуры оптимизированных комплексов ПХДД с ФЭ и межатомных расстояний в точках ми-

нимумов энергии и наивысших точках потенциальных барьеров. Результаты представлены на рис. 6-7 ^ и Ь - молекулы ФЭ1 и ФЭ2; 1 - структура комплекса, 2 и 3 - расположение полярной части молекул ФЭ1 и ФЭ2 относительно плоскости диоксиновой молекулы).

Рис. 6 Структура оптимизированных комплексов ПХДД с 2-мя ФЭ на крайних кольцах с одной стороны относительно плоскости диоксиновой молекулы в точках минимумов энергии

н *?

"--■¿г-н

0

^ V

СЦГ

V

.0 ЕТ--Н

Р

Рис. 7 Структура оптимизированных комплексов ПХДД с 2-мя ФЭ на крайних кольцах с одной стороны относительно плоскости диоксиновой молекулы в точках высоких значений потенциальных барьеров

Как видно из рисунков, атом Р12 фосфатной группы Р04 ФЭ располагается приблизительно на одинаковом удалении от плоскости диоксиновой молекулы в обеих энергетически крайних точках, в то время как атомы О13 и О14 фосфатной группы Р04 ФЭ в точках минимумов располагаются намного ближе к диоксиновым кольцам, чем в точках высоких значений потенциальных барьеров.

По-видимому, именно определенный вклад фосфатной группы в образование исследуемых комплексов оказывает влияние на изменение формы диок-синовых молекул, о чем также свидетельствует существенное изменение зарядов и электронного строения на всех атомах фосфатной группы Р04 ФЭ (в особенности на атоме 013) и именно тех атомах С диоксиновых колец, к которым фосфатная группа располагается ближе всего.

Выводы и заключение. Таким образом, из представленных данных можно сделать следующие выводы.

Образование комплексов ПХДД с ФЭ не приводит к каким-либо существенным изменениям структуры фосфолипидных молекул, однако при этом происходит изменение электронного строения молекул фосфолипидов в области комплексообразования. При этом на атомах этаноламинной группы наблюдается изменение электронной заселенности НСМО, а на атомах фосфатной группы наблюдается изменение электронной заселенности ВЗМО.

В то же время, в точках минимумов энергии происходят значительные изменения формы диоксиновых молекул. Одновременно с этим наблюдается изменение электронного строения молекул ПХДД. Наиболее значительные изменения отмечены на всех углеродных атомах диоксинового скелета, при этом на атомах того диоксинового кольца, с которым взаимодействует этаноламин-ная группа ФЭ, происходит изменение электронной заселенности НСМО, а на атомах другого кольца отмечено изменение электронной заселенности ВЗМО.

Анализ межатомных расстояний, электронного строения и структур оптимизированных комплексов в точках минимумов энергии показывает, что в процессе комплексообразования диоксинов с фосфолипидами активное участие принимает и фосфатная группа ФЭ, и именно ее близкое расположение к одному из диоксиновых колец способствует изменению формы диоксиновых молекул.

Поскольку общий заряд участвующих в комплексообразовании молекул ФЭ и ПХДД остается неизмененным, то изменение зарядов на атомах не связано с переносом заряда между молекулами, а объясняется внутренним перераспределением зарядов на атомах в пределах молекул в результате образования комплексов.

Также нельзя не отметить тот факт, что прослеживается схожий характер всех отмеченных изменений для комплексов ФЭ со всеми 4-мя диоксиновыми молекулами, что свидетельствует и о схожем механизме их взаимодействия с фосфолипидами.

Л'итература.

1. Буркерт У., Эллинджер Н. Молекулярная механика. - М.: Мир, 1986.

2. Ивков В.Г.. Берестовский Г.Н. Динамическая структура липидного бислоя. - М., 1981. - 293 с.

3. Насибуллин Р.С., Зелеев М.Х., Спирихин Л.В., Хайретдинова Д.И (Косарева Д.И.) Исследование воздействия молекулы пиридина на клеточные фос-фолипиды //Новости ЯМР в письмах. - 1995. - № 1. - с. 120.

4. Насибуллин Р.С., Косарева Д.И., Спирихин Л.В. //Биополимеры и клетка. - 1998. - т. 14, № 5. - с. 15-17.

5. Насибуллин Р.С., Пономарева В. А., Спирихин Л.В. //Биомембраны. -

1992. - т. 9, № 3. - с. 308-311.

6. Насибуллин Р.С., Серебреник М.А. //Биополимеры и клетка. - 1997. - № 2. - с. 12-15.

7. Насибуллин Р.С., Спирихин Л.В., Пономарева В.А. //Биофизика. - 1991. - т. 36, вып. 4. - с. 594-598.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8. Насыров Х.М., Насибуллин Р.С., Бузыкаев Б.А. Спектроскопическое исследование взаимодействия молекулы пиразола с фосфолипидами //Фармакология и токсикология. - 1991. - № 3. - с.59-60.

9. Федоров Л. А. Диоксины как фундаментальный фактор техногенного загрязнения природы //Экологическая химия. - 1993. - № 3. - с. 169-187.

10. Федоров Л. А. Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы. - Москва: Наука, 1993. - 260 с.

11. Цырлов И.Б. Хлорированные диоксины: биологические и медицинские аспекты: Аналитический обзор. - М.: ГПНТБ СО АН СССР, 1993. - 187 с.

12. Boer F.B., Van Remoortere F.P., North P.P., Newman M.A. //Acta. Crystallogr. Sect. B: Struct. Crystallogr. Cryst. Chem. - 1972. - B28. - p. 1023-1029.

13. Dewar M.J.C. The molecular theory of organic chemistry. - N.Y.: McGraw-Hill. - 1969. - 381 p.

14. Poland A., Greenlee W.F., Kende A.S. Studies on the mechanism of action of the chlorinated dibenzo-p-dioxins and related compounds //Ann. N.Y. Acad.Sci. -1979. - vol. 320. - p. 214-230.

15. Silbergeld E.K., Gasiewicz T.A. Dioxins and the Ah receptor //Amer. J. Ind. Med. - 1989 - v. 16. - p. 455-474.

16. Whitlock J.P.J. Mechanistic aspects of dioxin action //Chem. Res. Toxicol.-

1993. - vol. 6, № 6. - p. 754-763.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.